牛头刨床课程设计.doc

_机械原理课程设计(论文)题目: 牛头刨床 学生姓名 专 业_ 机械类 学 号_ 222012322220171 班 级_ 2012级 6班 指导教师 成 绩_ 工程技术学院2014年 7月目 录1 牛头刨床机构简介32 拟定传动系统方案52.1 传动系统的选择与设计52.1.1 主执行机构的设计计算52.2 主执行机构运动简图的绘制72.2.1 主执行机构运动简图的绘制72.2.2 主执行机构的工作循环图72.3 主执行机构的运动分析73 对主执行机构进行运动分析153.1 速度分析153.1.1 曲柄的速度分析153.1.2 第二类II组的速度分析153.1.3 第三类II组的速度分析163.2 加速度分析163.2.1 曲柄的加速度分析173.2.2 第二类II组的加速度分析173.2.3 第三类II组的加速度分析174 主执行机构的动态静力分析185 凸轮的设计185.1 设计方法216 参考文献227 致谢22 机械原理课程设计-牛头刨床 1 牛头刨床机构简介牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床，如图 1为牛头刨床机构简图。由电动机带动皮带轮，再经齿轮传动，带动凸轮1使其以的角速度转动，再经过滑块2、导杆3及连杆4带动刨头5及刨刀做往复移动。刨刀每切削完一次，利用空回行程的时间，凸轮1通过四杆机构1678与棘轮带动螺旋机构（图中未画），使工作台连同工件作一次进给运动，以便刨刀继续切削。DS5A24B31EC5615050250S3(导杆中点）图1 牛头刨床机构简图 7MO8如图 2所示为一牛头刨床的主执行机构运动简图。刨头右行时，刨刀进行切削，称工作行程，此时要求速度较低并且均匀；刨头左行时，刨刀不切削，称空回行程，此时要求速度较高，以提高生产率。而刨床以曲柄摆杆机构带动，具有急回特性，符合慢进快退的工作要求。图2 牛头刨床主执行机构运动简图 刨头在工作行程中，受到很大的切削阻力，在切削的前后各有一段约0.05H的空刀距离，而空回行程中则没有切削阻力。工作过程中受到的阻力如图 3所示。0.05H0.05HHSFmaxF图3刨刀切削阻力曲线2 拟定传动系统方案2.1 传动系统的选择与设计2.1.1 主执行机构的设计计算牛头刨床主执行机构设计参数如下表1表1 牛头刨床主执行机构设计参数曲柄转速n1机架LAC刨刀行程H行程速比系数K连杆与导杆之比LDE/LCD工作阻力F(N)导杆质量m3(kg)导杆转动惯量JS3(kgm2) 滑块质量m5(kg)设计值483803101.460.254500201.170由上诉参数计算可得：（1） 极位夹角（2）由导杆机构特性知道：导杆摆角大小等于极位夹角.（3）由行程和可求得: 杆长 (4) 曲柄长(5)由/求得：连DE杆长（6）设在竖直方向上，点到点最小距离和最大距离分别为,，则导 轨放在距点垂直距离为的水平位置上。则取：点到刨刀导路的垂直距离为 从图中还可以算得： （7）在图中量得初始位置 （8）图中量得：BC的杆长 （9）、 量得构件4的转角=、点的线位移. （10）构件1的转角=。电动机的选择：选取电动机的转速为。传动系统的作用通常是实现减速、增速和变速，有时也用作实现运动形式的转换，并且在传递运动的同时，将原动机的输出功率和转矩传递给执行机构。 通常要把原动机的输出运动传给执行机构，仅选用一种传动装置或机构的情况较少见，大多数情况是选择若干种传动装置或机构合理地加以组合布置，构成一个传动系统，才能实现预期的工作要求。在进行传动装置和机构的选择与设计时应注意以下问题： 设原动机的转速为，执行机构原动件的设计转速为，则传动装置系统的总传动比如果传动装置系统由n个传动装置或机构串联组成，其每个传动装置或机构的传动比分别为，则 当系统为减速传动时，宜使，并使相邻两级传动比相差不要太大。这样可使中间各级轴有相对较高的转速和较小的扭矩，转轴及轴上的零件可以设计得尺寸较小，从而获得较为紧凑的结构。由上诉知机构总的传动比为：=电动机通过V带传动，一级传动比定为二级、三级齿轮传动比分别为： =3.3二级减速齿轮齿数分别为： 三级减速齿轮齿数分别为： 103=80.2.2 主执行机构运动简图的绘制2.2.1 主执行机构运动简图的绘制详见A1图纸2.2.2 主执行机构的工作循环图其中取.图4 系统工作循环图2.3 主执行机构的运动分析 根据图2来进行机构的运动分析表2 牛头刨床在初始位置参数X(1)X(2)X(3)X(4)X(5)X(6)X(7)X(8)X(9)X(10)（mm）（）（）（mm）（mm）（mm）（mm）（mm）（mm）（） 46176.90.51272.1110.02535.34133.84380523.54306 静力分析和初定各构件的质量参数表3 各构件的质量参数(kg)（kg)中点002070001.1解：先建立一直角坐标系，并标出各杆矢量及方位角。其中共有四个未知量 。为求解需建立两个封闭矢量方程，为此需利用两个封闭图形ABCA及CDEGC，由此可得， (1)写成投影方程为： =+将上列各式对时间取一次、二次导数，并写成矩阵形式，即可得以下速度和加速度方程式。速度方程式： (7-3)机构从动件的位置参数矩阵： 机构从动件的的速度列阵： 机构原动件的位置参数矩阵： ：机构原动件的角速度加速度方程式： 7-4机构从动件的位置参数矩阵求导： 机构从动件的的加速度列阵： 机构原动件的位置参数矩阵求导： 主程序（matlab）：%牛头刨床运动分析主程序%x(1)代表 ;%x(2) 代表构件3的转角 ；%x(3）代表构件4的转角 ；%x(4)代表E点的线位移 ;%x(5)代表 ；%x(6)代表 ;%x(7)代表;%x(8)代表;%x(9）代表 ;%x(10)代表构件1的转角 。x= 0.4951 78.6*pi/180 0.51*pi/180 0.3823 0.1113 0.7727 0.2318 0.43 0.76 30*pi/180;%赋初值 dr=pi/180;%度转化为弧度 dth=10*dr;w1=5.236;%每10度计算一个点for i=1:37 y=ntpc(x); %调用从动件位置方程求解函数ntpc(自编) s3=y(1);theta3=y(2);theta4=y(3);se=y(4); %得到位置参数。 %将各位置参数用向量储存，便于后面绘图，角度用度表示ss3(i)=y(1);th1(i)=x(10)/dr;th3(i)=y(2)/dr;th4(i)=y(3)/dr;sse(i)=y(4);%进行速度分析 A=cos(theta3) -s3*sin(theta3) 0 0; sin(theta3) s3*cos(theta3) 0 0; 0 -x(6)*sin(theta3) -x(7)*sin(theta4) -1; 0 x(6)*cos(theta3) x(7)*cos(theta4) 0;%A机构从动件的位置参数矩阵 B=-x(5)*sin(x(10);x(5)*cos(x(10);0;0;%B机构原动件的位置参数列阵 yy=w1*inv(A)*B;%公式7-3求解，yy表示机构从动件速度列阵，inv(A)是A的逆阵 vs3=yy(1);w3=yy(2);w4=yy(3);vse=yy(4); %将各速度参数以向量的方式表示，以便后面绘图 dvs3(i)=yy(1);dw3(i)=yy(2);dw4(i)=yy(3);dvse(i)=yy(4);%dA为从动件位置参数矩阵对时间一次求导%进行加速度分析 dA=-w3*sin(theta3) -vs3*sin(theta3)-s3*w3*cos(theta3) 0 0; w3*cos(theta3) vs3*cos(theta3)-s3*w3*sin(theta3) 0 0; 0 -x(6)*w3*cos(theta3) -x(7)*w4*cos(theta4) 0; 0 -x(6)*w3*sin(theta3) -x(7)*w4*sin(theta4) 0; %dB就是原动件位置参数列阵对时间一次求导 dB=-x(5)*w1*cos(x(10);-x(5)*w1*sin(x(10);0;0; KK=-dA*yy+w1*dB; %KK为公式7-4右端 ya=inv(A)*KK;%公式7-4求解，ya为从动件加速度列阵 %将各加速度以向量表示as3(i)=ya(1);atheta3(i)=ya(2);atheta4(i)=ya(3);ase(i)=ya(4); x(10)=x(10)+dth; %计算下一个点 x(1)=s3; x(2)=theta3; x(3)=theta4; x(4)=se;end%绘制运动参数曲线subplot(2,2,1); % 选择第1个子窗口plot(th1,th3,th1,th4,th1,sse*1e3);%绘制位置线图subplot(2,2,2); plot(th1,dw3,th1,dw4,th1,dvse);%绘制速度线图subplot(2,2,3); plot(th1,atheta3,th1,atheta4,th1,ase); %绘制加速度线图 %这个函数是关于牛头刨床位置方程求解，可得：s3,theta3,theta4,sE四个运动变量。子程序：function y=ntpc(x)%x(1)代表 ;%x(2) 代表构件3的转角 ；%x(3）代表构件4的转角；%x(4)代表E点的线位移 ;%x(5)代表 ；%x(6)代表 ;%x(7)代表 ;%x(8)代表 ;%x(9）代表 ;%x(10)代表构件1的转角 。%先赋初值；这些初值来自于主程序。s3=x(1);theta3=x(2);theta4=x(3);se=x(4);epsilon=1e-6;%设置求解精度为10-6%用矩阵的形式表示位置方程组（公式7-2）f=s3*cos(theta3)-x(5)*cos(x(10);s3*sin(theta3)-x(5)*sin(x(10)-x(8); x(6)*cos(theta3)+x(7)*cos(theta4)-se; x(6)*sin(theta3)+x(7)*sin(theta4)-x(9);%用牛顿-辛普森法求解while norm(f)epsilon %J位置方程组的雅可比矩阵，即从动件位置参数矩阵 J=cos(theta3) -s3*sin(theta3) 0 0; sin(theta3) s3*cos(theta3) 0 0; 0 -x(6)*sin(theta3) -x(7)*sin(theta4) -1; 0 x(6)*cos(theta3) x(7)*cos(theta4) 0; dth=inv(J)*(-1.0*f); %计算增量，进行迭代，inv(J) 为J的逆阵 s3=s3+dth(1); theta3=theta3+dth(2); theta4=theta4+dth(3); se=se+dth(4);f=s3*cos(theta3)-x(5)*cos(x(10);s3*sin(theta3)-x(5)*sin(x(10)-x(8); x(6)*cos(theta3)+x(7)*cos(theta4)-se; x(6)*sin(theta3)+x(7)*sin(theta4)-x(9);norm(f);%若未达精度，会继续迭代。end%输出4个参数y(1)=s3;y(2)=theta3;y(3)=theta4;y(4)=se; 图4 刨刀的位置线图、速度线图、加速度线图位置线图 速度线图 加速度线图3 对主执行机构进行运动分析取曲柄转角时进行分析（详见A1图纸）3.1 速度分析3.1.1 曲柄位置、速度分析曲柄为原动件，曲柄的转速为=47 r/min，则起角速度为：=所以，B1点的速度为：VB1=LAB0.55m/s方向垂直于AB，与转向相同 3.1.2 第二类II组的速度分析此为曲柄摇杆机构大小： 方向： 速度图为： b2 b3 p 由图得： 3.1.3 第三类II组的速度分析 .大小： 方向： 导轨 速度图为： d4 E4 p由图得： 3.2 加速度分析（）3.2.1 曲柄的加速度分析B1的加速度为：加速度图为： P b2 3.2.2 第二类II组的加速度分析=大小： 方向： 加速度图为：pb3n3由图得：b2k求得：杆3的角加速度为3.2.3 第三类II组的加速度分析 大小: 方向: 导轨 加速度图为： nd4p 由图可得：4 主执行机构的动态静力分析详见A1图纸，（）已知：工作阻力：= 导杆质量： 导杆转动惯量： 滑块质量：从杆4和导轨（滑块）组成的基本二级组开始分析。第一类二组的动态静力分析：矢量平衡方程为：矢量图为： 由图得到：. 第二类二组的动态静力分析： F12 偏移距离对点取矩：解得：做矢量图： G3 FI3 F43 由图算得： 曲柄受力分析： 解得： 求得：9凸轮机构的曲线的设计表4 进给机构设计参数从动件最大摆角 15凸轮从动件杆长（mm）125推程许用压力角 40回程许用压力角 50滚子半径（mm）15凸轮角速度（rad/s）5滚子半径=，凸轮基圆半径=。由工作循环图得到凸轮推程运动角为=，取凸轮回程运动角为=，远休止角为=，近休止角为。9.1 凸轮机构位移曲线的设计由于刨刀速度较低，所以推杆运动规律可选用一次多项式运动规律，即推程的运动方程为： - 回程的运动方程为： 9.2 凸轮机构